СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ УСТАНОВКИ С ПОМОЩЬЮ ПОСАДОЧНОЙ КАМЕРЫ ВЗРЫВНОГО ТИПА СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2023 года по МПК E21B43/1185 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для контроля установки с помощью посадочной камеры взрывного типа скважинного инструмента, в частности, для контроля установки спускаемых на кабеле или на насосно-компрессорной трубе (НКТ) или на гибкой насосно-компрессорной трубе (ГНКТ) пакеров, необходимых для герметичного разобщения отдельных интервалов скважины при проведении различных технологических операций. Изобретение также может быть использовано при проведении прострелочно-взрывных работ в скважине при подготовке и при проведении многостадийного гидравлического разрыва пласта (МГРП), в частности, и по технологии Р&Р, при закачке рабочего агента в скважину или добыче скважинного флюида, при разработке или эксплуатации одного или нескольких пластов.

Возможность получения достоверной информации о процессе установки скважинного инструмента с помощью посадочной камеры взрывного типа в режиме реального времени и, в случае установки пакера, о состоянии герметичности изолированного пространства, повышает эффективность и надежность проведения прострелочно-взрывных работ.

Известна взрывная камера (CN112414240А), используемая в скважинном инструменте, в которой о том, взорван детонатор или нет, судят путем анализа тока обратной связи; при этом строят кривую воспламенения, чтобы определить точку инициирования детонатора.

Полученные с помощью известного устройства результаты измерения не позволяют контролировать процесс работы посадочной камеры взрывного типа и установки скважинного инструмента, так как вид кривой воспламенения определяется только инициированием детонатора и не связан с воспламенением или детонацией взрывчатого вещества, и соответственно, не связан с созданным за счет вышеперечисленных факторов давлением, необходимым для работы скважинного инструмента, а также не зависит от процесса установки скважинного инструмента.

Известны способ и устройство для наблюдения за функционированием детонатора во взрывной камере (патент US7565927). Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения устройство расположено в корпусе взрывной камеры и предназначено, в том числе, для измерения характеристик среды внутри взрывной камеры. Устройство может записывать данные из нескольких мест внутри и снаружи скважинного инструмента, например: температуру в определенных точках внутри инструмента для дальнейшего сравнения с температурой в других местах или определения профиля распределения температуры вдоль инструмента. Различные измеренные одна или несколько характеристик являются репрезентативными для состояния взрывного устройства (до, во время и/или после детонации взрывного устройства) или окружающей среды, окружающей взрывное устройство. В состав устройства входит один или нескольких датчиков.

Описанные выше устройство и способ позволяют осуществлять мониторинг работы взрывного устройства непосредственно в перфораторе, при этом отсутствует возможность контролировать динамику механической системы скважинного посадочного инструмента и пакерующего устройства, работающих от давления, получаемого при срабатывании детонатора или пиропатрона и горения заряда. В результате, известные устройство и способ не позволяют оценить качество установки пакерующего устройства или любого другого скважинного инструмента, в котором энергия срабатывания взрывного вещества превращается в кинетическую энергию движения элементов конструкции посадочной камеры взрывного типа, скважинного инструмента, в том числе пакерующего устройства.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа и устройства, позволяющих контролировать процесс установки скважинного инструмента, осуществляемый посадочной камерой взрывного типа.

Технический результат заключается в повышении точности диагностики работы посадочной камеры взрывного типа и скважинного инструмента, в том числе пакерующего устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля установки с помощью посадочной камеры взрывного типа скважинного инструмента, согласно которому электронное устройство, в состав которого входит, по-крайней мере, один датчик давления со встроенной термокомпенсацией или дополненный внешним датчиком температуры, размещают внутри посадочной камеры таким образом, что оно конструктивно соединенно с герметичной верхней полостью посадочной камеры, в которой установлен детонатор или пиропатрон с зарядом, в процессе работы посадочной камеры осуществляют регистрацию поступающих с датчика давления измерительных данных и в режиме реального времени по жиле геофизического кабеля или любым другим способом передают их в наземное компьютерное устройство, определяют на кривой зависимости давления от времени, наличие участков, на которых происходит изменение давления и изменение производной давления по времени, проверяют соответствие полученных данных ожидаемым изменениям при корректном функционировании посадочной камеры и корректной установке скважинного инструмента в скважине.

При этом передачу данных в компьютерное устройство осуществляют по одной или более жилам геофизического кабеля, либо посредством гидравлической, акустической электромагнитной или любой другой связи.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство контроля установки скважинного инструмента с помощью посадочной камеры взрывного типа, содержит, по-крайней мере, один датчик давления со встроенной термокомпенсацией или дополненный внешним датчиком температуры, процессор, аналого-цифровой преобразователь, приемопередатчик, дешифратор адреса устройства, энергонезависимую память, узел инициирования, блок питания. Процессор предназначен для приема сигналов с датчиков в оцифрованном виде и их передачи через элементы дуплексной связи на поверхность и в энергонезависимую память, а также для приема и обработки сигналов с дешифратора адреса устройства. Датчик давления через аналого-цифровой преобразователь, приемопередатчик через дешифратор адреса устройства, узел инициирования, энергонезависимая память и блок питания подключены к процессору.

Устройство контроля может быть встроенным в посадочную камеру или быть выполнено в виде отдельного сменного модуля.

Устройство контроля предназначено для регистрации поступающих с датчиков измерительных данных о функционировании посадочной камеры, их обработки процессором, записи в энергонезависимую память, передачи информации на «дневную» поверхность в режиме реального времени для принятия необходимых решений для эффективного и надежного проведения необходимых работ в скважине (например, прострелочно взрывных работ, установки пакера и т.п.).

На процесс установки скважинного инструмента оказывает влияние не только срабатывание детонатора или пиропатрона и заряда, но и то, каким образом сработали механизмы, предназначенные для установки. Динамика движения элементов конструкции посадочной камеры взрывного типа, скважинного инструмента, в том числе пакерующего устройства, зависит от многих факторов, таких как срабатывание детонатора или пиропатрона, горения заряда, создаваемого давления за счет вышеперечисленных факторов, работы демпфера, сил трения в механической системе, конструкции посадочной камеры взрывного типа, скважинного инструмента, в том числе пакерующего устройства, твердости шлицов и обсадной колонны, усилия срезания предохранительных штифтов и т.д.

Таким образом, изменение давления внутри посадочной камеры обусловлено срабатыванием в верхней полости детонатора или пиропатрона и горения заряда, а также динамикой движения конструктивных элементов посадочной камеры и скважинного инструмента. Следовательно, измерение давления внутри посадочной камеры позволяет контролировать не только процесс горения и взрыва, но и процесс установки скважинного инструмента, что повышает точность диагностики работы посадочной камеры взрывного типа и скважинного инструмента.

Устройство контроля может быть выполнено в виде автономного изделия при проведении прострелочно-взрывных работ (ПВР) на НКТ или ГНКТ без кабеля, или в виде кабельного модуля, запитываемого и управляемого с «дневной» поверхности. В случае автономного использования в устройстве контроля используют батареи питания, а дуплексную связь с «дневной» поверхностью осуществляют любыми доступными видами связи, используемыми при работе с автономными скважинными приборами, например, гидравлическую, акустическую, электромагнитную и прочее. При автономной работе устройства контроля также возможен вариант получения данных о функционировании скважинного посадочного инструмента и скважинного устройства, например, пакерующего устройства, после подъема всей компоновки на «дневную» поверхность.

При работе в кабельном варианте дуплексную связь осуществляют по одной или более жилам геофизического кабеля. Дуплексную связь используют для управления работой скважинного посадочного инструмента и получения информации о функционировании скважинного посадочного инструмента и, например, пакерующего устройства, необходимой для принятия решений о продолжении работ.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена условная схема посадочной камеры взрывного типа с пакером, спускаемые в скважину на геофизическом кабеле.

На фиг. 2 показана схема устройства контроля.

На фиг. 3 показано размещение устройства контроля, встроенного в посадочную камеру взрывного типа и конструктивно соединенного с герметичной верхней полостью, в которой установлен детонатор или пиропатрон с зарядом.

На фиг. 4 показано размещение устройства контроля, выполненного в виде отдельного сменного модуля, который устанавливают внутри посадочной камеры.

На фиг. 5 представлен график зависимости давления внутри посадочной камеры от времени при корректном функционировании посадочной камеры взрывного типа и пакера.

На фиг. 1 показаны: кабель геофизический одножильный 1; кабельный наконечник 2; центральная жила кабеля (ЦЖК) 3; электроввод в сборе 4; переходник 5; кольцо уплотнительное 6; плата 7; кожух 8; датчик давления с встроенной термокомпенсацией 9; пробка 10; кольца уплотните л ьные 11; свечной мост 12; пиропатрон (детонатор) 13; заряд (шашка) 14; корпус камеры 15; кольца уплотнительные 16; поршень 17; кольца уплотнительные 18; полость поглощения масла 19; масло 20; пробка резиновая 21; наконечник 22; кольца уплотнительные 23; шпилька 24; кольца уплотнительные 25; шток пакера 26; плашки 27; конусы 28; манжета 29.

В состав устройства контроля (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4) входят: датчик давления 9 со встроенной термокомпенсацией, провод датчика давления 30, сигнальный провод 31, а в случае варианта в виде отдельного сменного модуля в дополнение корпус 32 и уплотнительное кольцо 33, энергонезависимая память 34, дешифратор адреса устройства 35, приемопередатчик 36, процессор 37, блок питания 38, обеспечивающий необходимым питанием процессор 37, который, в свою очередь, подключает к питанию датчик давления 9, узел инициирования 39, аналого-цифровой преобразователь 40. В случае автономного варианта использования устройства блок питания 38 запитывается не с «дневной» поверхности по жиле геофизического кабеля 1, а от дополнительной батареи, устанавливаемой в устройство.

По центральной жиле кабеля 3 с «дневной» поверхности на блок питания 38 поступает постоянное питание и на приемопередатчик 36 поступает адресная команда, которую в приемопередатчике 36 приводят к необходимым уровням по напряжению и далее нормированная по уровню команда поступает на дешифратор адреса устройства 35. В случае совпадения адреса команды с адресом устройства команда поступает на процессор 37, где дешифруется и, в соответствии, с программным обеспечением, прошитым в процессор 37, выполняется.

Возможно использования процессора с встроенным аналого-цифровым преобразователем.

Возможно использование процессора в качестве дешифратора адреса устройства.

Устройство контроля может быть использовано и в качестве элемента системы кабельной или автономной селективной перфорации в компоновке с аналогичными устройствами.

Устройство контроля дополнительно выполняет функции адресного устройства селективной перфорации, вплоть до управления инициированием детонатора (пиропатрона, воспламенителя, патрона), по командам, поступающим с «дневной» поверхности. Команды в процессор могут передаваться по одной или более жилам геофизического кабеля, либо посредством гидравлической, акустической электромагнитной или любой другой связи.

Изобретение может быть реализовано следующим образом.

В посадочную камеру устанавливают устройство контроля таким образом, чтобы оно было конструктивно соединено с герметичной верхней полостью посадочной камеры, что позволяет с помощью датчика давления, входящего в состав устройства, измерять давление непосредственно в герметичной верхней полости посадочной камеры.

Осуществляют спуск посадочной камеры взрывного типа со скважинным инструментом.

При спуске предлагаемой конструкции в скважину на заданную глубину по кабелю 1 подают адресную команду, после дешифрации которой устройство контроля инициирует детонатор 13 и поджигается заряд 14 в камере 15. При поступлении команды на инициирование детонатора 13 (пиропатрона, воспламенителя, патрона), процессор 37 разрешает подачу питания через провод 30 на датчик давления 9 с блока питания 38, переводит аналого-цифровой преобразователь 40 в высокоскоростной режим опроса и разрешает узлу инициирования 39 выдачу импульса инициирования через сигнальный провод 31 и свечной мост 12 на детонатор 13. В процессор 37 поступают сигналы с датчиков 9, оцифрованные аналого-цифровым преобразователем 40 и передаются через приемопередатчик 36 на поверхность и в энергонезависимую память 34, расположенную на плате 7.

В процессе работы посадочной камеры давление внутри камеры 15 измеряют встроенным в герметичную верхнюю полость с зарядом 14 датчиком давления 9. При воспламенении заряда 14 давление внутри камеры 15 начинает изменяться (см. фиг. 5). Данные с датчика 9 передают в компьютерное устройство, которое находится на «дневной» поверхности (на фиг. не показано).

Датчик давления 9 установлен таким образом, что позволяет непосредственно в герметичной верхней полости посадочной камеры измерять динамическое давление, получаемое за счет продуктов горения заряда 14 и отсоединения скважинного инструмента 24÷29.

Далее описана работа посадочной камеры с устройством контроля на примере установки пакера.

При спуске предлагаемой конструкции в скважину на заданную глубину по кабелю 1 подают адресную команду, после дешифрации которой устройство контроля инициирует детонатор 13 с отрезком детонирующего шнура или без него, детонационная волна распространяется в направлении к заряду 14, что обеспечивает воспламенение заряда 14 в герметичной верхней полости камеры. Возможно применение вместо детонатора 13 патрона (пиропатрона). После инициирования пиропатрона или детонатора 13 в герметичной верхней камере воспламеняется установленный в той же полости заряд 14, продукты горения которого создают за счет получаемого давления осевое усилие на подвижный поршень 17 посадочной камеры. В момент времени работы посадочной камеры, когда усилие достигает заданной величины, поршень 17 начинает осевое движение, которое передается подвижным деталям пакера вплоть до его посадки в обсаженной колонне скважины. Конструкция пакера за счет заклинивания плашек пакера 27 обеспечивает его посадку в заданном месте скважины. При этом на величину давления в камере влияет постоянное горение заряда 14 и неравномерное движение поршня 17, которое коррелировано с усилиями, необходимыми для срабатывания элементов конструкции посадочной камеры и пакера.

Посадка пакера завершается в момент времени работы посадочной камеры, когда усилие на подвижный поршень 17 достигает заданной максимальной величины, которая обеспечивает отсоединение пакера от шпильки 24 и извлечение на «дневную» поверхность отработавшей в скважине посадочной камеры.

Продукты горения заряда оказывают на поршень 17 давление, вызывающее перемещение поршня 17 относительно корпуса камеры 15 в сторону пакера с заданным осевым усилием, и за счет давления в камере происходит рабочее перемещение поршня 17 относительно корпуса камеры 15, которое обеспечивает заданный порядок установки пакера в скважине, включающий следующую последовательность срабатывания пакера:

а) сжатие резиновой манжеты 29 пакера, обеспечивающее формирование герметичного моста в обсадной колонне;

б) заклинивание плашек пакера 27 в колонне, обеспечивающее надежное удержание пакера в месте его установки;

в) срезание штифтов, установленных в конструкции пакера, и отсоединение посадочной камеры с адаптером от пакера;

г) перемещение поршня 17 относительно корпуса камеры 15 (до упора уступа поршня 17 в наконечник 2), обеспечивающее разгерметизацию верхней полости камеры и выход продуктов горения заряда в скважину.

Таким образом, в процессе работы посадочной камеры встроенным в герметичную верхнюю полость с зарядом датчиком давления измеряют изменение давления, соответствующее выполнению кинетической работы по сжатию резиновой манжеты (позиция 41 фиг. 5), заклиниванию плашек пакера в колонне (позиция 42 фиг. 5), срезанию штифтов и отсоединению посадочной камеры с адаптером от пакера (позиция 43 фиг. 5), перемещению поршня до упора (позиция 44 фиг. 5). При корректной работе посадочной камеры на кривой давления будут зарегистрированы характерные изменения давления либо ее производной по времени, свойственные вышеперечисленным этапам работы посадочной камеры. Каждый этап работы посадочной камеры отображается на кривой давления определенными изменениями. Наличие всех характерных изменений давления или его производной по времени свидетельствует о корректной работе посадочной камеры и посадке пакера. Отсутствие хотя бы одного из характерных изменений кривой давления свидетельствует о некорректной работе посадочной камеры. В этом случае по полученной кривой давления проводят анализ работы посадочной камеры и определяют дальнейшие действия по проведению ПВР. «Идеальную» кривую, необходимую для дальнейшего сравнения с полученными при проведении ПВР, получают методом цифрового моделирования или эмпирическим путем. «Идеальные»кривые могут отличаться в зависимости от конструкций посадочной камеры и скважинного инструмента, в том числе и различных типов пакеров. Полученную при проведении ПВР кривую давления записывают в энергонезависимую память устройства контроля и одновременно передают зарегистрированную информацию и обрабатывают (интерпретируют) ее на «дневной» поверхности.

В случае корректной работы посадочной камеры повышается вероятность герметичной установки пакера.

Данный контроль можно применять в любых динамических системах, преобразующих давление в герметичной полости в поступательное движение поршня, необходимое для выполнения любых заданных конструкцией операций.

Для дополнительного контроля функционирования посадочной камеры в качестве датчиков могут быть использованы датчики температуры, удара, скорости, ускорения, перемещения, веса, натяжения.

Применение данной технологии контроля функционирования посадочной камеры повышает эффективность и надежность проведения ПВР. Полученная кривая также дает информацию о срабатывании детонатора или взрывного патрона (пиропатрона), о срабатывании и полноте горения заряда, что повышает безопасность работ с взрывчатыми веществами.

Группа изобретений относится к способу и устройству контроля установки с помощью посадочной камеры взрывного типа скважинного инструмента. Техническим результатом является повышение точности диагностики работы посадочной камеры взрывного типа и скважинного инструмента, в том числе пакерующего устройства. Способ характеризуется тем, что внутри посадочной камеры размещают устройство. В состав устройства входит, по крайней мере, один датчик давления. Устройство конструктивно соединено с герметичной верхней полостью посадочной камеры, в которой установлен детонатор или пиропатрон с зарядом. В процессе работы посадочной камеры осуществляют регистрацию поступающих с датчика давления измерительных данных и в режиме реального времени передают их в наземное компьютерное устройство. Также способ включает определение на кривой зависимости давления от времени наличие участков, на которых происходит изменение давления и изменение производной давления по времени. Также способ включает этап проверки соответствия полученных данных ожидаемым изменениям при корректном функционировании посадочной камеры и корректной установке скважинного инструмента. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля установки с помощью посадочной камеры взрывного типа скважинного инструмента, характеризующийся тем, что внутри посадочной камеры размещают устройство, в состав которого входит, по крайней мере, один датчик давления, таким образом, что оно конструктивно соединено с герметичной верхней полостью посадочной камеры, в которой установлен детонатор или пиропатрон с зарядом, в процессе работы посадочной камеры осуществляют регистрацию поступающих с датчика давления измерительных данных и в режиме реального времени передают их в наземное компьютерное устройство, определяют на кривой зависимости давления от времени наличие участков, на которых происходит изменение давления и изменение производной давления по времени, проверяют соответствие полученных данных ожидаемым изменениям при корректном функционировании посадочной камеры и корректной установке скважинного инструмента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передачу данных в компьютерное устройство осуществляют по одной или более жилам геофизического кабеля.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передачу данных в компьютерное устройство осуществляют посредством гидравлической связи.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передачу данных в компьютерное устройство осуществляют посредством акустической связи.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передачу данных в компьютерное устройство осуществляют посредством электромагнитной связи.

6. Устройство контроля установки с помощью посадочной камеры взрывного типа скважинного инструмента содержит, по крайней мере, один датчик давления, процессор, аналого-цифровой преобразователь, приемопередатчик, дешифратор адреса устройства, энергонезависимую память, узел инициирования, блок питания, при этом датчик давления через аналого-цифровой преобразователь, приемопередатчик через дешифратор адреса устройства, узел инициирования, энергонезависимая память и блок питания подключены к процессору.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что дополнительно содержит батареи питания.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что выполнено в виде встроенного модуля в посадочную камеру.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что выполнено в виде отдельного сменного модуля.

10. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что используют датчик давления со встроенной термокомпенсацией.

11. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик температуры.